超快激光超长测距系统研制

经翰璋 孙彦乾 牛春晖

摘  要：一直以来，超长测距系统用途相当广泛，并且在实际使用中对超长测距系统的要求较高。而自从激光问世以来，其在测距中的应用非常广泛，并为超长测距的实现提供了有力的支持。搭建GCS-PSL实验典型腔，输出稳定锁模的激光，通过在腔内加入不同规格的F-P标准具，改变激光脉宽，搭建改良后的迈克尔逊干涉光路，应用自相关法和晶体非线性效应的相应原理，利用光电探测器测量并研究激光脉宽改变的规律，得出一般性结论。为超快激光超长测距系统的研制与实现提供了有力的支持。

关键词：GCS-PSL实验典型腔;F-P标准具;迈克尔逊干涉

中图分类号：TN249      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）14-0051-03

Development of Ultra-fast Laser Ultra-long Ranging System

JING Hangzhang1，2，SUN Yanqian1，2，NIU Chunhui1，2

（1.Beijing Information Science & Technology University，Beijing  100192，China;

2.Beijing Institute of Photoelectric Technology，Daheng New Epoch Technology Inc.，Beijing  100085，China）

Abstract：Ultra-long ranging system has been widely used all the time，and has high requirements for ultra-long ranging system. Since the advent of laser，it has been widely used in ranging，and provides strong support for the realization of ultra-long ranging. The typical cavity of GCS-PSL experiment is built to output stable mode-locked laser. By adding different F-P etalons into the cavity，the laser pulse width is changed，and the improved Michelson interferometric optical path is constructed. Based on the autocorrelation method and the corresponding principle of crystal non-linear effect，the laser pulse width is measured and studied by photoelectric detector，and the general conclusion is drawn. It provides a strong support for the development and implementation of ultra-fast laser ultra-long ranging system.

Keywords：GCS-PSL experimental typical cavity;F-P etalon;Michelson interference

0  引  言

上世紀60年代中期，锁模脉冲激光器被De Maria.等人研制出来。自此以后激光脉冲的宽度已经由皮秒（ps）、飞秒（fs）量级，发展到阿秒（as）量级。当激光脉冲时间宽度小于10-12秒，即达到皮秒脉冲量级时就可以称为超短激光脉冲。

超短激光脉冲由于其特殊性拥有不可替代的作用，应用领域也越来越广泛。而应用超短脉冲的前提是准确了解其脉宽相位等信息，因此超短激光脉冲测量技术同样非常重要。研究超短激光脉冲测量方法，对超短激光脉冲的时间宽度等信息进行详细准确的观察和分析，在研究超快激光技术和超短脉冲的更深层次的应用中显得格外重要。

1  研究内容

具体研究内容如下：

（1）超快激光产生及锁模原理;

（2）皮秒激光在卫星测距领域的应用;

（3）窄谱皮秒激光优势及实现方法。

2  实现方法及预期目标

2.1  搭建GCS-PSL实验典型腔

GCS-PSL实验典型腔的主要参数如表1所示。

2.1.1  构建并调试同波长指示激光束

本实验系统在进行搭建调试较复杂的折叠谐振腔之前，需要有一束指示激光作为后续各个谐振腔器件的放置和调节依据，具体如下：

泵源通电工作后，将电流旋钮调至适中的4A左右，将激光晶体组件安放至预定位置并固定，晶体前后通光面方向以箭头为准，并确保泵浦光居中入射到晶体中。

将T=3%（或8%），曲率200的激光输出镜组件放置于晶体前约60mm处，镀膜面朝向晶体。缓缓转动输出镜组件，同时将橘色塑料感光片放置于输出前方的待出光位置，仔细搜寻1064nm激光瞬间闪现的光点，慢慢确认好输出镜的姿态，将其固定。进一步细调该输出镜的二维俯仰旋钮，使感光片上看到的激光出射光点从分瓣的形状逐渐变为一个亮斑，更换白色陶瓷倍频转换片，可以进一步清晰看出光斑为亮度集中的绿色圆光点（1064nm波长激光照射在倍频感光片上可在光斑位置激发出532nm的绿色荧光，可以清晰判断光斑位置与形状）。至此，同为1064nm波长的指示激光构建完成。

2.1.2  放置M1腔镜

在预定位置放置腔镜M1，确定M1的左右位置时需要让指示激光的光斑在其镜面的中心（上下略偏离中心一些无所谓）。

2.1.3  放置M2腔镜（在本腔型中为正式输出镜）

在预定位置放置腔镜M2，调节M1的俯仰角度，使指示激光束照射到M2的镜面中心。

2.1.4  放置M3腔镜

在预定位置放置腔镜M3，调节M2的俯仰角度，使指示激光束照射到M3的镜面中心。

2.1.5  放置SESAM

在本锁模激光腔型中，SESAM作为最后一片腔镜，而且被放置在电控平移台上，这就需要在电控台的有效运动范围内，SESAM都在指示光束中，因此M3反射出的指示激光束需要通过调节M3的俯仰，使指示激光束沿电控台的运动方向位于SESAM中心。

大范围前后移动电控台，确定指示激光束均位于SESAM的中心位置。

反过来再调节SESAM的俯仰，使指示激光束再返回至M3的光束出射位置。

2.1.6  撤去临时输出镜，进一步微调谐振腔

将感光片置于M2（输出镜）后，观察两束输出光的光点，微调SESAM的俯仰，使输出光斑均为圆光斑（基横模）。

2.1.7  对输出的两束激光分别测量功率及脉冲波形

由于两束出射激光距离很近，只能使其中一束直接入射到功率探头中，另一束经过反射镜反射至探测器的入光孔中。

2.1.8  结合功率读数与波形图样，进一步优化（示波器需要百兆带宽以上）

首先需要将快速探测器的信号输出线通过50Ω的匹配阻抗与数字示波器连接（如果示波器自带50Ω电阻，可以不用接外置匹配阻抗），探测器“on/off”选择到“on”，示波器调节至“直流耦合”档。进一步加大泵源的工作电流，观察示波器上的激光脉冲波形和功率计的读数。

看到波形后，调节示波器的“时间旋钮”到ns量级，需要看到顶端平齐稳定梳状脉冲波形。调节示波器的“时间旋钮”到12μs，波形会变密集，甚至无法分辨每一个“脉冲峰”，但是仍然为平整的边缘。

拥有稳定的锁模脉冲波形后，读取功率计读数，随着泵源电流的加大，稳定锁模的平均功率应可以达到500MW以上。如果不能达到，少量改变L4（腔镜M3到SESAM的距离），并配合SESAM的俯仰，直到满足上述要求为止。

2.1.9  读取重复频率，与量取的谐振腔长度通过公式比对

此时读取示波器上得到的脉冲峰的重复频率u，用刻度尺量取谐振腔的总长度L（L1+L2+L3+L4），通过公式u=C/2L，计算出的重频与示波器读取是否吻合，如果吻合，整个的锁模激光谐振腔调节完成。

2.2  自相关法测量超短激光脉冲

自相关是指一个激光脉冲在不同時刻强度的相关关系，表现为时域的相关性。自相关法测量超短激光脉冲宽度需要用到迈克尔逊干涉光路，晶体的倍频效应以及激光脉冲自相关的一些基本原理。

2.3  迈克尔逊干涉光路的设计原理

迈克尔逊干涉光路是测量装置的主体结构，因此迈克尔逊干涉光路的设计搭建极为重要。

2.3.1  自相关仪基本结构的设计

因为自相关仪属于精度较高的光学测量仪器，对激光脉冲空间位置的控制要求很高，因此光路设计较为严格。激光脉冲由皮秒脉冲激光器发出，在分光棱镜处被均匀地分为两束传播方向垂直的脉冲激光，然后各自经过多次反射后汇合于一点。因为晶体的和频效应需要两束激光精确地汇合于一点，所以激光光路的设计在合理地调节光路时也要注意一些技巧。设计自相关仪前应最先考虑装置的整体布局。因为激光器发出的光即使经过光路调整也不会是严格的水平，所以随着光路的增长，激光的倾斜量也会随之增加，所以光路中各光学元件分布应尽量紧密一些。其次，由于测量光路的调节过程十分复杂，因此应尽量减少光学元件的个数。

2.3.2  光路搭建与调整

2.3.2.1  确定光路高度

在实验装置中，一共有两个元件高度是固定的，很难调节。一个是皮秒激光器，皮秒激光器只能直接固定在实验平台上，而激光器出光口很低，离实验平台距离只有5cm左右;另一个是引入可变延迟线的平移台上的全反射镜。平移台上全反射镜中心高度约为12cm。由于平移台较高，因此确定平移台上全反射镜的中心高度为光路的水平高度平面。

2.3.2.2  搭建迈克尔逊干涉光路

本实验所用的实验光路为钢杆连接的同轴结构光路，所以光路搭建比较单，只需将各个元件用合适的钢杆连接起来固定在立柱上。在立柱上固定时的高度应参考平移台上反射镜的高度，以反射镜中心高度为光轴高度，整个光路应尽量保持水平。

2.3.2.3  将激光调节到确定好的高度水平面上

由于激光器出射口较低，不在确定好的高度面上，因此需要用一些折转光路将光路调高。

2.3.2.4  调节a路激光与b路激光在同与水平面内且相互平行

为保证改变光程差时两束光交点位置不变，必须保证两束光在进入正透镜会聚之前相互平行，并且在同一水平面内。因为a路激光需要经过一个平移台，相对而言更复杂，所以应该先调节a路激光使其水平。调节b路激光时，先按照调节a路激光的方法将b路激光调节至和a路激光同样的高度并保持水平，这样就保证了两束激光处于同一水平面内。

2.3.2.5  放置并调节晶体

在正透镜后两束激光交点处放置非线性晶体。非线性晶体有5个自由度，分别是3个位移自由度和2个旋转自由度。首先将晶体固定在波片架上，在透镜后找到两束激光的交点，将晶体的中心位置调节到交点处。此时可以固定住晶体的高度和水平位置，使晶体只能做旋转运动;然后旋转晶体，包括绕立柱旋转和波片自行旋转晶体，使和频光最强。

2.3.2.6  迈克尔逊干涉光路

从激光器发出的激光射向消偏振光分光棱镜、分光棱镜可以将由激光器射来的光束分成振幅近似相等的反射光a和透射光b。光束a射向平移台上的反射镜组;光束b射向另一组反射镜组。a路与b路激光经多次反射后近似平行射向凸透镜从而在透镜焦点处会聚。由于这两束光来自光源上同一点，因而是相干光。通过调节可移动平台可以改变两束光的光程差，继而引入可变延迟，从而实现一束光对另一束光的掃描。

2.3.2.7  非线性晶体和光电探测器

在本实验中，晶体的位置姿态对实验结果影响很大，所以必须谨慎考虑如何才能更好地放置与调整晶体。本实验中，非线性晶体置于波片架上，因为波片架可绕光轴旋转，方便调节，空间位置也比较好固定和移动。光电探测器用的是光电倍增管，其高压为0～1000V可调，将光信号转化为电压信号。由于光电倍增管主要接收和频信号（和频信号为532nm的绿光），为了减小环境光噪声影响，应在光电倍增管前加一绿色滤光片。

2.4  晶体的非线性效应

倍频效应于1961年被首次首先发现。人们将波长为694.3nm的红光射到石英晶体上，在石英晶体后不仅探测到波长为694.3nm的红光，而且还出现了波长为347.1nm的成分，即产生了频率加倍的光线，也就是倍频效应。倍频效应即非线性光学效应。当光束射入非线性晶体时cc，在晶体后方不但可以接收到原来的激光波长成分，还可是检测到波长为1/2入射光波长的成分，即从晶体中透出光的频率是入射光频率的两倍。这种频率加倍的光学现象称作晶体的倍频效应。两束激光同时进入非线性晶体还会出现混频（和频、差频）现象。

2.5  自相关法原理

自相关测量皮秒脉冲激光时，先将皮秒脉冲激光分为两束，假设每个激光脉冲强度的空间分布均为高斯型，相对时间延迟为τ，那么它们的时间强度分布可以用公式表示为：

由于自相关曲线值从数学上描述就是脉冲函数的卷积，实际测量中，卷积的过程即时间差变化的过程是靠改变两束激光脉冲的光程差来实现的。当两束光所走过的光程完全相等，也就是由同一个脉冲被一分为二的两个“相关脉冲”同时进入非线性晶体时，产生的和频光最强。当延迟线对其中一束光产生延迟，使两个脉冲到达非线性晶体时产生了微小的“时间差”，倍频光就会随即减弱。直至延迟量带来的“时间差”完全使两个“相关脉冲”错开，和频光完全消失。这样即可扫描出和频光的强度随延迟空间量变化的曲线，该曲线又可以根据光速转化成随时间量变化，取曲线的半高全宽即为相应的脉冲宽度。

3  结  论

通过在锁模激光谐振腔中加入不同规格的F-P标准具，并分别测量相应脉宽，进行对比得知不加入标准具时激光脉冲宽度最小，加入的标准具越宽，激光的脉冲宽度越大，由于激光线宽和脉冲宽度成反比，所以加入F-P标准具可以有效压缩激光线宽，线宽越小激光的有效传输距离越远，因此对激光脉宽展宽的研究在激光测距方面有着重要的地位。

参考文献：

[1] 蒋立辉，章典，陈星，等.基于谱估计的Fabry-Perot标准具透过率曲线参数估计方法 [J].红外与激光工程，2016，45（9）：135-142.

[2] 马健，刘秉琦，华文深，等.一种透过率随入射角近似线性变化的F-P标准具设计 [J].应用光学，2009，30（3）：397-402.

[3] 大恒光电.GCS-PSL实验典型腔调试工艺要求 [Z].北京：大恒新纪元科技股份有限公司光电研究所，2018.

作者简介：经翰璋（1997-），男，汉族，北京人，本科，研究方向：激光测距。